Runnable、Callable、Future和FutureTask之二：源码解析

一、Callable与Future类图

1、类图

许多任务实际上都是存在延迟的计算，对于这些任务，Callable是一种更好的抽象：它会返回一个值，并可能抛出一个异常。Callable接口：

V call() throws Exception;

可以看到，这是一个泛型接口，call()函数返回的类型就是传递进来的V类型。

Runnable和Callable描述的都是抽象的计算任务。这些任务通常是有生命周期的。Executor执行的任务有4个生命周期阶段：创建、提交、开始和完成。由于有些任务可能要执行很长时间，因此通常希望可以取消这些任务。在Executor框架中，已提交但尚未开始的任务可以取消，对于已经开始执行的任务，只有当它们响应中断时才能取消。

Future表示一个任务的生命周期，并提供了方法来判断是否已经完成或取消，以及获取任务的结果和取消任务等。Future接口：

    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    boolean isCancelled();
    boolean isDone();
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    V get(long timeout, TimeUnit unit) throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException;

在Future接口中声明了5个方法，下面依次解释每个方法的作用：

1. cancel方法用来取消任务，如果取消任务成功则返回true，如果取消任务失败则返回false。参数mayInterruptIfRunning表示是否允许取消正在执行却没有执行完毕的任务，如果设置true，则表示可以取消正在执行过程中的任务。如果任务已经完成，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，此方法肯定返回false，即如果取消已经完成的任务会返回false；如果任务正在执行，若mayInterruptIfRunning设置为true，则返回true，若mayInterruptIfRunning设置为false，则返回false；如果任务还没有执行，则无论mayInterruptIfRunning为true还是false，肯定返回true。

2. isCancelled方法表示任务是否被取消成功，如果在任务正常完成前被取消成功，则返回 true。

3. isDone方法表示任务是否已经完成，若任务完成，则返回true；

4. get()方法用来获取执行结果，这个方法会产生阻塞，会一直等到任务执行完毕才返回；

5. get(long timeout, TimeUnit unit)用来获取执行结果，如果在指定时间内，还没获取到结果，就直接返回null。

也就是说实际上Future提供了三种功能：

1. 判断任务是否完成；
2. 中断任务；
3. 获取任务执行结果。

Future与Callable的关系与ExecutorService与Executor的关系对应。

 

二、FutureTask

Future只是一个接口，无法直接创建对象，因此有了FutureTask。 
我们先来看下RunableFuture的实现：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

FutureTask类实现了RunnableFuture接口：

public interface RunnableFuture<V> extends Runnable, Future<V> {
    void run();
}

RunnableFuture继承了Runnable和Future接口，而FutureTask实现了RunnableFuture接口。

FutureTask的继承关系和方法如图所示： 

FutureTask是一个可取消的异步计算，FutureTask 实现了Future的基本方法，提供start cancel 操作，可以查询计算是否已经完成，并且可以获取计算的结果。结果只可以在计算完成之后获取，get方法会阻塞当计算没有完成的时候，一旦计算已经完成， 那么计算就不能再次启动或是取消。

一个FutureTask 可以用来包装一个 Callable 或是一个Runnable对象。因为FurtureTask实现了Runnable方法，所以一个 FutureTask可以提交(submit)给一个Excutor执行(excution). 它同时实现了Callable, 所以也可以作为Future得到Callable的返回值。

2.1、FutureTask成员变量

FutureTask有两个很重要的属性分别是state和runner， FutureTask之所以支持canacel操作，也是因为这两个属性。 
其中state为枚举值：

private volatile int state; // 注意volatile关键字
    /**
     * 在构建FutureTask时设置，同时也表示内部成员callable已成功赋值，
     * 一直到worker thread完成FutureTask中的run();
     */
    private static final int NEW = 0;

    /**
     * woker thread在处理task时设定的中间状态，处于该状态时，
     * 说明worker thread正准备设置result.
     */
    private static final int COMPLETING = 1;

    /**
     * 当设置result结果完成后，FutureTask处于该状态，代表过程结果，
     * 该状态为最终状态final state,(正确完成的最终状态)
     */
    private static final int NORMAL = 2;

    /**
     * 同上，只不过task执行过程出现异常，此时结果设值为exception,
     * 也是final state
     */
    private static final int EXCEPTIONAL = 3;

    /**
     * final state, 表明task被cancel（task还没有执行就被cancel的状态）.
     */
    private static final int CANCELLED = 4;

    /**
     * 中间状态，task运行过程中被interrupt时，设置的中间状态
     */
    private static final int INTERRUPTING = 5;

    /**
     * final state, 中断完毕的最终状态，几种情况，下面具体分析
     */
    private static final int INTERRUPTED = 6;

state初始化为NEW。只有在set, setException和cancel方法中state才可以转变为终态。在任务完成期间，state的值可能为COMPLETING或INTERRUPTING。 

其中需要注意的是state是volatile类型的，也就是说只要有任何一个线程修改了这个变量，那么其他所有的线程都会知道最新的值。

为了后面更好的分析FutureTask的实现，这里有必要解释下各个状态。

• NEW:表示是个新的任务或者还没被执行完的任务。这是初始状态。
• COMPLETING:任务已经执行完成或者执行任务的时候发生异常，但是任务执行结果或者异常原因还没有保存到outcome字段(outcome字段用来保存任务执行结果，如果发生异常，则用来保存异常原因)的时候，状态会从NEW变更到COMPLETING。但是这个状态会时间会比较短，属于中间状态。
• NORMAL:任务已经执行完成并且任务执行结果已经保存到outcome字段，状态会从COMPLETING转换到NORMAL。这是一个最终态。
• EXCEPTIONAL:任务执行发生异常并且异常原因已经保存到outcome字段中后，状态会从COMPLETING转换到EXCEPTIONAL。这是一个最终态。
• CANCELLED:任务还没开始执行或者已经开始执行但是还没有执行完成的时候，用户调用了cancel(false)方法取消任务且不中断任务执行线程，这个时候状态会从NEW转化为CANCELLED状态。这是一个最终态。
• INTERRUPTING: 任务还没开始执行或者已经执行但是还没有执行完成的时候，用户调用了cancel(true)方法取消任务并且要中断任务执行线程但是还没有中断任务执行线程之前，状态会从NEW转化为INTERRUPTING。这是一个中间状态。
• INTERRUPTED:调用interrupt()中断任务执行线程之后状态会从INTERRUPTING转换到INTERRUPTED。这是一个最终态。

有一点需要注意的是，所有值大于COMPLETING的状态都表示任务已经执行完成(任务正常执行完成，任务执行异常或者任务被取消)。

各个状态之间的可能转换关系如下图所示：

state有四种可能的状态转换：

• NEW -> COMPLETING -> NORMAL
• NEW -> COMPLETING -> EXCEPTIONAL
• NEW -> CANCELLED
• NEW -> INTERRUPTING -> INTERRUPTED

其他成员变量：

/** The underlying callable; nulled out after running */
    private Callable<V> callable;   // 具体run运行时会调用其方法call()，并获得结果，结果时置为null.

    /** The result to return or exception to throw from get() */
    private Object outcome; // non-volatile, protected by state reads/writes   没必要为votaile,因为其是伴随state 进行读写，而state是FutureTask的主导因素。

    /** The thread running the callable; CASed during run() */
    private volatile Thread runner;   //具体的worker thread.

    /** Treiber stack of waiting threads */  
    private volatile WaitNode waiters;     //Treiber stack 并发stack数据结构，用于存放阻塞在该futuretask#get方法的线程。

注：Treiber算法可参见：Lock-Free 算法

下面分析下Task的状态变化，也就一个任务的生命周期： 

2.2、FutureTask构造函数

创建一个FutureTask首先调用构造方法，构造方法有2个如下：

2.2.1、callable参数类型

    public FutureTask(Callable<V> callable) {//callable参数类型
        if (callable == null)
            throw new NullPointerException();
        this.callable = callable;
        this.state = NEW;       // ensure visibility of callable
    }

这个构造函数会把传入的Callable变量保存在this.callable字段中，该字段定义为private Callable<V> callable;用来保存底层的调用，在被执行完成以后会指向null,接着会初始化state字段为NEW。

2.2.2、Runnable参数类型

public FutureTask(Runnable runnable, V result) {//Runnable参数类型

this.callable = Executors.callable(runnable, result); 

this.state = NEW; // ensure visibility of callable 
}

这个构造函数会把传入的Runnable封装成一个Callable对象保存在callable字段中，同时如果任务执行成功的话就会返回传入的result。这种情况下如果不需要返回值的话可以传入一个null。此时将state设置为初始态NEW。

顺带看下Executors.callable()这个方法，这个方法的功能是把Runnable转换成Callable，代码如下:

这里注意Runnable是怎样转换为Callable的，看下this.callable = Executors.callable(runnable, result); 调用Executors.callable:

public static <T> Callable<T> callable(Runnable task, T result) {
        if (task == null)
            throw new NullPointerException();
        return new RunnableAdapter<T>(task, result);
}

可以看到这里采用的是适配器模式，调用RunnableAdapter<T>(task, result)方法来适配，实现如下:RunnableAdapter.java

static final class RunnableAdapter<T> implements Callable<T> {
        final Runnable task;
        final T result;
        RunnableAdapter(Runnable task, T result) {
            this.task = task;
            this.result = result;
        }
        public T call() {
            task.run();
            return result;
        }
}

其实就是通过Callable的call方法调用Runnable的run方法，把传入的 T result 作为callable的返回结果；

在new了一个FutureTask对象之后，接下来就是在另一个线程中执行这个Task,无论是通过直接new一个Thread还是通过线程池，执行的都是run()方法，接下来就看看run()方法的实现。

2.2.3、run()

当创建完一个Task通常会提交给Executors来执行，当然也可以使用Thread来执行，Thread的start()方法会调用Task的run()方法。看下FutureTask的run()方法的实现：

public void run() {
    // 1. 状态如果不是NEW，说明任务或者已经执行过，或者已经被取消，直接返回
    // 2. 状态如果是NEW，则尝试把当前执行线程保存在runner字段中
    // 如果赋值失败则直接返回
    if (state != NEW ||
        !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                     null, Thread.currentThread()))
        return;
    try {
        Callable<V> c = callable;
        if (c != null && state == NEW) {
            V result;
            boolean ran;
            try {
                // 3. 执行任务
                result = c.call();
                ran = true;
            } catch (Throwable ex) {
                result = null;
                ran = false;
                // 4. 任务异常
                setException(ex);
            }
            if (ran)
                // 4. 任务正常执行完毕
                set(result);
        }
    } finally {
        // runner must be non-null until state is settled to
        // prevent concurrent calls to run()
        runner = null;
        // state must be re-read after nulling runner to prevent
        // leaked interrupts
        int s = state;
        // 5. 如果任务被中断，执行中断处理
        if (s >= INTERRUPTING)
            handlePossibleCancellationInterrupt(s);
    }
}

run()方法首先会

1. 判断当前任务的state是否等于NEW,如果不为NEW则说明任务或者已经执行过，或者已经被取消，直接返回。
2. 如果状态为NEW则接着会通过unsafe类把任务执行线程引用CAS的保存在runner字段中，如果保存失败，则直接返回。
3. 执行任务。
4. 如果任务执行发生异常，则调用setException()方法保存异常信息。setException()方法如下：

protected void setException(Throwable t) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = t;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, EXCEPTIONAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

　　在setException()方法中

• • 　　首先会CAS的把当前的状态从NEW变更为COMPLETING状态。
  • 　　把异常原因保存在outcome字段中，outcome字段用来保存任务执行结果或者异常原因。
  • 　　CAS的把当前任务状态从COMPLETING变更为EXCEPTIONAL。这个状态转换对应着上图中的二。
  • 　　调用finishCompletion()。关于这个方法后面在分析。

　　5. 如果任务成功执行则调用set()方法设置执行结果，该方法实现如下:

protected void set(V v) {
    if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, COMPLETING)) {
        outcome = v;
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, NORMAL); // final state
        finishCompletion();
    }
}

这个方法跟上面分析的setException()差不多，

• 首先会CAS的把当前的状态从NEW变更为COMPLETING状态。
• 把任务执行结果保存在outcome字段中。
• CAS的把当前任务状态从COMPLETING变更为NORMAL。这个状态转换对应着上图中的一。
• 调用finishCompletion()。

发起任务线程跟执行任务线程通常情况下都不会是同一个线程，在任务执行线程执行任务的时候，任务发起线程可以查看任务执行状态、获取任务执行结果、取消任务等等操作，接下来分析下这些操作。

还有一点是：UNSAFE.compareAndSwapObject了，

if (state != NEW ||
            !UNSAFE.compareAndSwapObject(this, runnerOffset,
                                         null, Thread.currentThread()))

语义相当于

if (this.runner == null ){
    this.runner = Thread.currentThread();
}

使用compareAndSwap能够保证原子性。关于compareAndSwap的相关内容，可参看：《Unsafe（java可直接操作内存()，挂起与恢复，CAS操作）》

2.2.4、get()

任务发起线程可以调用get()方法来获取任务执行结果，如果此时任务已经执行完毕则会直接返回任务结果，如果任务还没执行完毕，则调用方会阻塞直到任务执行结束返回结果为止。get()方法实现如下：

public V get() throws InterruptedException, ExecutionException {
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING)
        s = awaitDone(false, 0L);
    return report(s);
}

get()方法实现比较简单，会

1. 判断任务当前的state <= COMPLETING是否成立。前面分析过，COMPLETING状态是任务是否执行完成的临界状态。
2. 如果成立，表明任务还没有结束(这里的结束包括任务正常执行完毕，任务执行异常，任务被取消)，则会调用awaitDone()进行阻塞等待。
3. 如果不成立表明任务已经结束，调用report()返回结果。

2.2.5、awaitDone()

当调用get()获取任务结果但是任务还没执行完成的时候，调用线程会调用awaitDone()方法进行阻塞等待，该方法定义如下：

private int awaitDone(boolean timed, long nanos)
        throws InterruptedException {
    // 计算等待截止时间
    final long deadline = timed ? System.nanoTime() + nanos : 0L;
    WaitNode q = null;
    boolean queued = false;
    for (;;) {
        // 1. 判断阻塞线程是否被中断,如果被中断则在等待队
        // 列中删除该节点并抛出InterruptedException异常
        if (Thread.interrupted()) {
            removeWaiter(q);
            throw new InterruptedException();
        }
 
        // 2. 获取当前状态，如果状态大于COMPLETING
        // 说明任务已经结束(要么正常结束，要么异常结束，要么被取消)
        // 则把thread显示置空，并返回结果
        int s = state;
        if (s > COMPLETING) {
            if (q != null)
                q.thread = null;
            return s;
        }
        // 3. 如果状态处于中间状态COMPLETING
        // 表示任务已经结束但是任务执行线程还没来得及给outcome赋值
        // 这个时候让出执行权让其他线程优先执行
        else if (s == COMPLETING) // cannot time out yet
            Thread.yield();
        // 4. 如果等待节点为空，则构造一个等待节点
        else if (q == null)
            q = new WaitNode();
        // 5. 如果还没有入队列，则把当前节点加入waiters首节点并替换原来waiters
        else if (!queued)
            queued = UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset,
                    q.next = waiters, q);
        else if (timed) {
            // 如果需要等待特定时间，则先计算要等待的时间
            // 如果已经超时，则删除对应节点并返回对应的状态
            nanos = deadline - System.nanoTime();
            if (nanos <= 0L) {
                removeWaiter(q);
                return state;
            }
            // 6. 阻塞等待特定时间
            LockSupport.parkNanos(this, nanos);
        }
        else
            // 6. 阻塞等待直到被其他线程唤醒
            LockSupport.park(this);
    }
}

awaitDone()中有个死循环，每一次循环都会

1. 判断调用get()的线程是否被其他线程中断，如果是的话则在等待队列中删除对应节点然后抛出InterruptedException异常。
2. 获取任务当前状态，如果当前任务状态大于COMPLETING则表示任务执行完成，则把thread字段置null并返回结果。
3. 如果任务处于COMPLETING状态，则表示任务已经处理完成(正常执行完成或者执行出现异常)，但是执行结果或者异常原因还没有保存到outcome字段中。这个时候调用线程让出执行权让其他线程优先执行。
4. 如果等待节点为空，则构造一个等待节点WaitNode。
5. 如果第四步中新建的节点还没如队列，则CAS的把该节点加入waiters队列的首节点。
6. 阻塞等待。

假设当前state=NEW且waiters为NULL,也就是说还没有任何一个线程调用get()获取执行结果，这个时候有两个线程threadA和threadB先后调用get()来获取执行结果。再假设这两个线程在加入阻塞队列进行阻塞等待之前任务都没有执行完成且threadA和threadB都没有被中断的情况下(因为如果threadA和threadB在进行阻塞等待结果之前任务就执行完成或线程本身被中断的话，awaitDone()就执行结束返回了)，执行过程是这样的，以threadA为例:

1. 第一轮for循环，执行的逻辑是q == null,所以这时候会新建一个节点q。第一轮循环结束。
2. 第二轮for循环，执行的逻辑是!queue，这个时候会把第一轮循环中生成的节点的netx指针指向waiters，然后CAS的把节点q替换waiters。也就是把新生成的节点添加到waiters链表的首节点。如果替换成功，queued=true。第二轮循环结束。
3. 第三轮for循环，进行阻塞等待。要么阻塞特定时间，要么一直阻塞知道被其他线程唤醒。

在threadA和threadB都阻塞等待之后的waiters结果如图

2.2.6、cancel(boolean)

用户可以调用cancel(boolean)方法取消任务的执行，cancel()实现如下:

public boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning) {
    // 1. 如果任务已经结束，则直接返回false
    if (state != NEW)
        return false;
    // 2. 如果需要中断任务执行线程
    if (mayInterruptIfRunning) {
        // 2.1. 把任务状态从NEW转化到INTERRUPTING
        if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, INTERRUPTING))
            return false;
        Thread t = runner;
        // 2.2. 中断任务执行线程
        if (t != null)
            t.interrupt();
        // 2.3. 修改状态为INTERRUPTED
        UNSAFE.putOrderedInt(this, stateOffset, INTERRUPTED); // final state
    }
    // 3. 如果不需要中断任务执行线程，则直接把状态从NEW转化为CANCELLED
    else if (!UNSAFE.compareAndSwapInt(this, stateOffset, NEW, CANCELLED))
        return false;
    // 4. 
    finishCompletion();
    return true;
}

cancel()方法会做下面几件事:

1 .判断任务当前执行状态，如果任务状态不为NEW，则说明任务或者已经执行完成，或者执行异常，不能被取消，直接返回false表示执行失败。

2. 判断需要中断任务执行线程，则

• 把任务状态从NEW转化到INTERRUPTING。这是个中间状态。
• 中断任务执行线程。
• 修改任务状态为INTERRUPTED。这个转换过程对应上图中的四。

3. 如果不需要中断任务执行线程，直接把任务状态从NEW转化为CANCELLED。如果转化失败则返回false表示取消失败。这个转换过程对应上图中的四。

4. 调用finishCompletion()。

2.2.7、finishCompletion()

根据前面的分析，不管是任务执行异常还是任务正常执行完毕，或者取消任务，最后都会调用finishCompletion()方法，该方法实现如下:

private void finishCompletion() {
    // assert state > COMPLETING;
    for (WaitNode q; (q = waiters) != null;) {
        if (UNSAFE.compareAndSwapObject(this, waitersOffset, q, null)) {
            for (;;) {
                Thread t = q.thread;
                if (t != null) {
                    q.thread = null;
                    LockSupport.unpark(t);
                }
                WaitNode next = q.next;
                if (next == null)
                    break;
                q.next = null; // unlink to help gc
                q = next;
            }
            break;
        }
    }
 
    done();
 
    callable = null;        // to reduce footprint
}

这个方法的实现比较简单，依次遍历waiters链表，唤醒节点中的线程，然后把callable置空。
被唤醒的线程会各自从awaitDone()方法中的LockSupport.park*()阻塞中返回，然后会进行新一轮的循环。在新一轮的循环中会返回执行结果(或者更确切的说是返回任务的状态)。

这里使用了LockSupport类来解除线程阻塞，关于LockSupport，可参见：《Java多线程系列--“JUC锁”07之 LockSupport》--park函数是将当前Thread阻塞，而unpark函数则是将另一个Thread唤醒

2.2.8、report()

report()方法用在get()方法中，作用是把不同的任务状态映射成任务执行结果。实现如下：

private V report(int s) throws ExecutionException {
    Object x = outcome;
    // 1. 任务正常执行完成，返回任务执行结果
    if (s == NORMAL)
        return (V)x;
    // 2. 任务被取消，抛出CancellationException异常
    if (s >= CANCELLED)
        throw new CancellationException();
    // 3. 其他状态，抛出执行异常ExecutionException
    throw new ExecutionException((Throwable)x);
}

映射关系如下图所示:

如果任务处于NEW、COMPLETING和INTERRUPTING这三种状态的时候是执行不到report()方法的，所以没必要对这三种状态进行转换。

2.2.9、get(long,TimeUnit)

带超时等待的获取任务结果，实现如下:

public V get(long timeout, TimeUnit unit)
        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutException {
    if (unit == null)
        throw new NullPointerException();
    int s = state;
    if (s <= COMPLETING &&
        // 如果awaitDone()超时返回之后任务还没结束，则抛出异常
        (s = awaitDone(true, unit.toNanos(timeout))) <= COMPLETING)
        throw new TimeoutException();
    return report(s);
}

跟get()不同点在于get(long,TimeUnit)会在awaitDone()超时返回之后抛出TimeoutException异常。

2.2.10、isCancelled()和isDone()

这两个方法分别用来判断任务是否被取消和任务是否执行完成，实现都比较简单，代码如下:

public boolean isCancelled() {
    return state >= CANCELLED;
}

public boolean isDone() {
    return state != NEW;
}

根据前面的分析，这两个方法就很容易理解不用多做解释了，O(∩_∩)O。

总结下，其实FutureTask的实现还是比较简单的，当用户实现Callable()接口定义好任务之后，把任务交给其他线程进行执行。FutureTask内部维护一个任务状态，任何操作都是围绕着这个状态进行，并随时更新任务状态。任务发起者调用get*()获取执行结果的时候，如果任务还没有执行完毕，则会把自己放入阻塞队列中然后进行阻塞等待。当任务执行完成之后，任务执行线程会依次唤醒阻塞等待的线程。调用cancel()取消任务的时候也只是简单的修改任务状态，如果需要中断任务执行线程的话则调用Thread.interrupt()中断任务执行线程。

2.2.11、其它

有个值得关注的问题就是当任务还在执行的时候用户调用cancel(true)方法能否真正让任务停止执行呢？
在前面的分析中我们直到，当调用cancel(true)方法的时候，实际执行还是Thread.interrupt()方法，而interrupt()方法只是设置中断标志位，如果被中断的线程处于sleep()、wait()或者join()逻辑中则会抛出InterruptedException异常。

因此结论是:cancel(true)并不一定能够停止正在执行的异步任务。

在《Runnable、Callable、Future和FutureTask之一：基本用法》中的四、使用示例--1.使用Callable+Future+ExecutorService 获取执行结果中，

class Task implements Callable<Integer> {
...
}

...
ExecutorService executor = Executors.newCachedThreadPool();
        Task task = new Task();
        Future<Integer> result = executor.submit(task);
        executor.shutdown();
        System.out.println("task运行结果" + result.get());

看AbstractExecutorService.java中submit()中，Callable参数传入还是通过创建FutureTask（Runnable）来执行Callable的任务的，并接收返回值。

    public <T> Future<T> submit(Callable<T> task) {
        if (task == null) throw new NullPointerException();
        RunnableFuture<T> ftask = newTaskFor(task);
        execute(ftask);
        return ftask;
    }

    protected <T> RunnableFuture<T> newTaskFor(Callable<T> callable) {
        return new FutureTask<T>(callable);
    }